信号完整性——深入理解高速数字电路设计

本书涉及的主题

信号完整性问题出现的技术背景；

传输线与阻抗基础理论；

反射形成的原理；

传输线的端接；

信号的传输与回流；

分布式系统；

数字集成电路基础；

信号完整性仿真与芯片建模；

IBIS模型；

时延与时序；

电源完整性；

高速串行接口技术。

本书突出的特点

全面阐述信号完整性基础知识，适合作为初学者的入门读物；

语言通俗易懂，叙述言简意赅，编排图文并茂，易于阅读理解；

从简单的实例来剖析复杂的信号完整性现象，抛砖引玉，举一反三。

本书基于作者从事信号完整性技术研究和工程设计实践的经验积累写作而成，阐述从事高速数字电路设计所必需的信号完整性基础理论和设计知识，包括相关的基本概念、问题成因、理解分析方法、设计应对措施、技术演进历程等。主要内容有：信号完整性问题出现的技术背景、传输线与阻抗基础理论、信号的传输与回流、反射与端接技术、数字集成电路基础、信号完整性仿真与模型、时延与时序、电源完整性、高速串行接口技术。本书定位于面向广大信号完整性初学者的导引入门技术教程，读者通过本书可快速构建起信号完整性基础知识体系，掌握信号完整性的基本设计理念。

本书可供从事信号完整性和高速电路相关产品开发设计的工程技术人员（包括电路设计工程师、Layout工程师、SI仿真工程师、电路测试工程师等）作为学习读物和设计指导手册，也可作为信号完整性相关专业研究人员和在校学生的参考学习资料。

高晓宇 毕业于西南交通大学通信工程专业，现就职于中国电子科技集团西南通信研究所。从事通信技术研究与产品研发工作近二十年，先后完成多种类型高性能网络通信电子产品的开发。擅长复杂、高速数字电路系统的设计，在信号完整性与高速电路设计领域具有丰富的

《信号完整性——深入理解高速数字电路设计》是一本系统论述信号完整性理论与实践的工具书。书中大量运用示例、图解等手段，采用层层推进、逐步深入的叙述方式，将隐藏在信号完整性现象背后的复杂、深奥的技术原理清晰地呈现给读者，非常适合作为从事信号完整性与高速数字电路设计的工程技术人员的案头工具书。

——应根裕 清华大学电子工程系

随着数字电路的运行速度越来越快，信号完整性问题越来越突出。“被迫”学习信号完整性知识的工程技术人员和在校学生越来越多，找到一本好的入门教材将起到事半功倍的效果。《信号完整性——深入理解高速数字电路设计》一书对信号完整性基础知识的讲解非常透彻、到位，叙述风格朴实、通俗易懂，非常适合作为初学者的入门读物，值得推荐。

——张洪欣 北京邮电大学电子工程学院

《信号完整性——深入理解高速数字电路设计》对信号完整性技术进行了深入的剖析，给出了很多优秀的设计经验。作者善于直观地分析电路结构，逐步完成对信号完整性问题的本质把握。这样的分析思路对于读者认识、理解信号完整性与高速电路设计背后复杂的电路原理是非常有必要的，也能帮助读者在高速电路设计实践中快速地得到优化结果。

——陆启帅 中国科学院南京天文光学技术研究所

《信号完整性——深入理解高速数字电路设计》将看似孤立的信号完整性方面的知识系统地组合在一起，并进行深入浅出的系统论述。对于高速电路设计中极其专业、深奥的技术问题，给出通俗易懂的解释——这是本书的特色，这种叙述方式大大降低了读者对复杂的信号完整性现象理解的难度，降低了读者的学习门槛。

——黄克亚 苏州大学机电工程学院

传统的数字电路与逻辑设计方面的教材缺少对于传输线、电磁场、集成电路、电源完整性等方面的论述，而这些又是数字电路设计工程师绕不开的知识基础。《信号完整性——深入理解高速数字电路设计》是作者在该领域数十年的工作经验的积累和总结，深入浅出地论述了信号完整性的基础知识和工程实践，具有很高的参考价值。

——宋廷强 青岛科技大学信息学院

第1章信号完整性的由来

1.1引言

1.2逻辑波形和实际波形

1.3频率提升带来的改变

1.4信号完整性问题的本质起因

第2章信号与连接

2.1电路实现的实质内容

2.2连接对信号波形的影响

2.3信号的传输过程

第3章传输线与阻抗

3.1传输线的构成

3.2传输线阻抗

第4章反射

4.1反射发生的原理

4.2末端端接

4.3反射导致的波形变化

第5章传输线建模与设计

5.1传输线模型

5.2电感

5.3传输线上的电感

5.4均匀传输线

5.550Ω的来历

5.6阻抗与印制电路板叠层

第6章信号电流

6.1表层信号的回流路径

6.2内层信号的回流路径

6.3阻抗与信号电流

6.4信号电流与传输线阻抗的主次考量

6.5信号电流的路径选择性

6.6信号电流的“变化”本质

第7章分布式系统

7.1分布式系统的内涵

7.2传输线的“长短”

7.3源端端接

第8章数字集成电路

8.1外观和内貌

8.2MOS晶体管

8.3CMOS反相器

8.4IV特性曲线

8.5动态特性

8.6从10μm到10nm

第9章仿真与模型

9.1仿真

9.2SPICE模型

9.3IBIS模型的源起

9.4Buffer的含义

9.5IBIS模型详解——输出Buffer

9.6IBIS模型详解——输入Buffer

9.7IBIS模型详解——其他Buffer类型

第10章时延与时序

10.1时延对时序的影响

10.2信号的传输速度

10.3时钟的不同供给方式

第11章电源完整性

11.1电源完整性问题一

11.2电源完整性问题二

11.3旁路电容

第12章高速串行接口

12.1技术演进之路

12.2从单端到差分

12.3LVDS收发电路

12.4差分信号的传输线阻抗

12.5SerDes

12.6眼图

12.7损耗

参考文献

“信号完整性”是伴随着数字集成电路从“低速”发展到“高速”而出现的一门新兴学科，其研究成果应用于高速电路设计相关的广阔行业领域，例如，通信、IT技术、信息安全、半导体集成电路、消费电子、工业电子、汽车电子、国防电子、人工智能等。但凡需要通过电路实现产品和服务功能的地方，都离不开“信号完整性”理论和技术的支撑。

20世纪90年代初，国外开始进行“信号完整性”理论和技术的研究，出版了相关的专业技术论著。我国半导体电子和高速电路技术及应用产业发展水平相比于国际领先水平存在一定差距，对“信号完整性”的认识和研究起步晚于国际同行大约十年。近二十年来，我国电子信息产业发展迅猛，信号完整性和高速电路设计相关领域的从业者队伍和高校相关专业的学生群体越来越庞大，对信号完整性和高速电路设计技术的研究、讨论、学习也呈现出一派繁荣景象。从最初翻译引进国外信号完整性经典著作，到如今国内行家们的技术专著纷纷出版上市； 从最初仅仅是国内凤毛麟角的顶尖企业内部设计团队面临的生僻问题，到如今网络、论坛、媒介、公众平台上众多版面、万千参与者共同关注的热门议题，信号完整性已成为今天中国电子设计行业的一门“显学”。

但是，无论是从笔者当初的实际学习体会，还是从与身边同仁们交流获得的普遍反馈，信号完整性给人的感受都是“入门不易”。这是一门面向实践的学问，包含许许多多的设计法则，告诉我们在高速电路设计中“应该怎么做”。掌握这些设计法则通常不是难事，初学者的困惑更多在于其背后的道理。当学习进行到这一步，就需要从理论层面对信号完整性的现象、问题和成因加以阐释。这样的教材当然有，但由于信号完整性背后的理论体系十分庞杂，涵盖电路理论、电磁场与电磁波和半导体集成电路等众多基础学科的知识，实际上对初学者形成的门槛很高。对于希望尽快入门上手的学习者来说，当面对讲解过于专业、深奥的学习材料时，往往是望而却步的。一知半解是很多信号完整性初学者急于摆脱却又难于摆脱的状态。

有没有可能在轻松、毫无难度的语境氛围中学习信号完整性的基础理论？这是促使笔者写作本书的最初动力来源。本着这份初心和曾经作为初学者的感同身受，这本书以尽量浅显易懂的文字和叙述方式讲解信号完整性这门蕴含深厚技术专业理论的课程，希望能为初学者提供一条相对容易的便捷路径。全书分为12章，覆盖了笔者认为信号完整性入门学习需要掌握的各个方面的基础知识。除了知识内容本身，其中一些认识、理解问题的方式、视角和套路有别于传统教材的讲解方法，是笔者在这个领域积累多年的体悟，但愿能够对初学者有所启发。限于笔者水平，本书难免存在不足、错误之处，还望读者朋友们包涵、指正。

清华大学出版社电子信息教材事业部盛东亮主任为本书成书提供了鼎力支持和诸多宝贵建议，钟志芳、石欣欣老师逐字逐句审读全书完成编审工作。真诚地感谢他们为本书的付出。

高晓宇

2020年8月